Редокс-градиент
Окислительно -восстановительный градиент — это серия окислительно-восстановительных ( окислительно-восстановительных ) реакций, отсортированных по окислительно-восстановительному потенциалу . [4] [5] Лестница окислительно-восстановительного потенциала отображает порядок, в котором происходят окислительно-восстановительные реакции, в зависимости от свободной энергии, полученной от окислительно-восстановительных пар. [4] [5] [6] Эти окислительно-восстановительные градиенты формируются как в пространстве, так и во времени в результате различий в микробных процессах, химическом составе среды и окислительном потенциале. [5] [4] Обычными средами, в которых существуют окислительно-восстановительные градиенты, являются прибрежные болота , озера , шлейфы загрязняющих веществ и почвы . [1] [4] [5] [6]
Земля имеет глобальный окислительно-восстановительный градиент с окислительной средой на поверхности и все более восстанавливающими условиями под поверхностью. [4] Градиенты окислительно-восстановительного потенциала обычно понимаются на макроуровне, но характеристика окислительно-восстановительных реакций в гетерогенных средах на микроуровне требует дальнейших исследований и более сложных методов измерения. [5] [1] [7] [6]
Измерение окислительно-восстановительных условий
[ редактировать ]Окислительно-восстановительные условия измеряются по окислительно-восстановительному потенциалу (E h ) в вольтах, который представляет собой тенденцию электронов перехода от донора электронов к акцептору электронов . E h можно рассчитать с помощью полуреакций и уравнения Нернста . [1] E h, равное нулю, представляет собой окислительно-восстановительную пару стандартного водородного электрода H. + /Н 2, [8] положительная E h указывает на окислительную среду (электроны будут приниматься), а отрицательная E h указывает на восстанавливающую среду (электроны будут отдаваться). [1] В окислительно-восстановительном градиенте наиболее энергетически выгодная химическая реакция происходит на «верху» окислительно-восстановительной лестницы, а наименее энергетически выгодная реакция происходит на «низу» лестницы. [1]
E h можно измерить путем сбора проб в полевых условиях и проведения анализов в лаборатории или путем введения электрода в окружающую среду для проведения измерений на месте. [6] [5] [1] Типичными средами для измерения окислительно-восстановительного потенциала являются водоемы, почвы и отложения, которые могут демонстрировать высокий уровень гетерогенности. [5] [1] Сбор большого количества образцов может обеспечить высокое пространственное разрешение, но за счет низкого временного разрешения, поскольку образцы отражают только единичный снимок во времени. [8] [1] [5] Мониторинг на месте может обеспечить высокое временное разрешение за счет сбора непрерывных измерений в реальном времени, но низкое пространственное разрешение, поскольку электрод находится в фиксированном месте. [1] [5]
Редокс-свойства также можно отслеживать с высоким пространственным и временным разрешением с помощью визуализации индуцированной поляризации , однако необходимы дальнейшие исследования, чтобы полностью понять вклад окислительно-восстановительных частиц в поляризацию. [6]
Условия окружающей среды
[ редактировать ]Редокс-градиенты обычно встречаются в окружающей среде как функция пространства и времени. [9] [8] особенно в почвах и водной среде. [8] [6] Градиенты вызваны различными физико-химическими свойствами, включая наличие кислорода, гидрологию почвы, присутствие химических веществ и микробные процессы. [1] [4] [9] [8] Конкретные среды, которые обычно характеризуются градиентами окислительно-восстановительного потенциала, включают заболоченные почвы , водно-болотные угодья , [8] шлейфы загрязнений, [9] [4] и морские пелагические и гемипелагические отложения. [4]
Ниже приводится список распространенных реакций, происходящих в окружающей среде, в порядке от окислительных к восстановительным (в скобках указаны организмы, осуществляющие реакцию): [1]
- Аэробное дыхание (аэробы: аэробные организмы )
- Денитрификация (денитрификаторы: денитрифицирующие бактерии )
- Редукция марганца (Редукторы марганца)
- Восстановление железа (редукторы железа: железоредуцирующие бактерии )
- Сульфатредукция (сульфатредукторы: сероредуцирующие бактерии )
- Метаногенез ( метаногены )
Водная среда
[ редактировать ]Редокс-градиенты формируются в толщах воды и их осадках. Различные уровни кислорода (кислородный, субоксический, гипоксический ) в толще воды изменяют окислительно-восстановительный химический состав и возможные окислительно-восстановительные реакции. [10] Развитие зон кислородного минимума также способствует формированию окислительно-восстановительных градиентов.
Бентосные отложения демонстрируют окислительно-восстановительные градиенты, вызванные изменениями минерального состава, наличия органических веществ, структуры и динамики сорбции. [5] Ограниченный транспорт растворенных электронов через подземные отложения в сочетании с разным размером пор отложений создает значительную гетерогенность донных отложений. [5] Доступность кислорода в отложениях определяет, какие пути микробного дыхания могут происходить, что приводит к вертикальной стратификации окислительно-восстановительных процессов, поскольку доступность кислорода уменьшается с глубиной. [5]
Земная среда
[ редактировать ]почвы E h также во многом зависит от гидрологических условий. [1] [8] [6] В случае наводнения насыщенные почвы могут перейти из кислородного состояния в бескислородное, создавая восстановительную среду, поскольку доминируют анаэробные микробные процессы. [1] [8] Более того, в порах почвы могут образовываться небольшие бескислородные горячие точки, создавая восстановительные условия. [6] Со временем стартовая E h почвы может восстановиться по мере стекания воды и высыхания почвы. [1] [8] Почвы с окислительно-восстановительными градиентами, образованными восходящими грунтовыми водами, относятся к глеесолям , а почвы с градиентами, образованными застойной водой, — к стагнопочям и планосолям .
почвы E h обычно находится в диапазоне от −300 до +900 мВ. [8] В таблице ниже приведены типичные значения E h для различных почвенных условий: [1] [8]
| Почвенные условия | Типичный E h (мВ) диапазон [1] [8] |
|---|---|
| Затопленный | Э ч < +250 |
| Газированный – умеренно сниженный | +100 < Еч < +400 |
| Газированный – пониженный | −100 < E h < +100 |
| Аэрированный – сильно сниженный | −300 < E h < −100 |
| культивированный | +300 < Е ч < +500 |
Общепринятые пределы E h , переносимые растениями, составляют +300 мВ < E h < +700 мВ. [8] 300 мВ — это граничное значение, отделяющее аэробные и анаэробные условия в заболоченных почвах. [1] Окислительно-восстановительный потенциал (E h ) также тесно связан с pH , и оба они оказывают значительное влияние на функцию систем почва-растение-микроорганизмы. [1] [8] Основным источником электронов в почве являются органические вещества . [8] Органические вещества поглощают кислород при разложении, что приводит к ухудшению состояния почвы и снижению E h . [8]
Почвы водно-болотных угодий часто испытывают окислительно-восстановительные градиенты.
В продуктивных регионах океана и закрытых бассейнах зоны минимума кислорода и зоны гипоксии могут испытывать окислительно-восстановительные градиенты в глубоких водах.
На водно-болотных угодьях с течением времени накапливаются почвы, богатые органическими веществами, и эти почвы часто испытывают окислительно-восстановительные градиенты.
В некоторых почвах наблюдаются окислительно-восстановительные градиенты.
Керны отложений, подобные этому, собранные из эстуариев, рек, озер и заливов, часто имеют градиенты окислительно-восстановительного потенциала с глубиной вниз по керну.
Глейсоли или глеевые почвы, подобные этой в Южном Шварцвальде в Германии, часто испытывают окислительно-восстановительные градиенты.
Роль микроорганизмов
[ редактировать ]Редокс-градиенты формируются в зависимости от наличия ресурсов и физико-химических условий (pH, соленость, температура) и поддерживают стратифицированные сообщества микробов . [1] [5] [9] [8] [7] Микробы осуществляют различные дыхания процессы ( метаногенез , сульфатредукция и т. д.) в зависимости от условий вокруг них и еще больше усиливают окислительно-восстановительные градиенты, присутствующие в окружающей среде. [9] [1] [8] Однако распространение микроорганизмов не может быть определено исключительно термодинамикой (окислительно-восстановительная лестница), на него также влияют экологические и физиологические факторы. [6] [5]
Градиенты окислительно-восстановительного потенциала формируются вдоль шлейфов загрязнений как в водных, так и в наземных условиях в зависимости от концентрации загрязняющих веществ и их воздействия на соответствующие химические процессы и микробные сообщества. [1] [9] Самые высокие скорости деградации органических загрязнителей по окислительно-восстановительному градиенту наблюдаются на границе кислородно-бескислородной границы. [1] В грунтовых водах эта кислородно-бескислородная среда называется капиллярной каймой , где уровень грунтовых вод встречается с почвой и заполняет пустые поры. Поскольку эта переходная зона является одновременно кислородной и бескислородной, акцепторы и доноры электронов находятся в большом количестве, а также существует высокий уровень микробной активности, что приводит к самым высоким темпам биоразложения загрязняющих веществ. [1] [9]
Бентосные отложения неоднородны по своей природе и впоследствии демонстрируют окислительно-восстановительные градиенты. [5] Из-за этой гетерогенности градиенты восстанавливающих и окисляющих химических веществ не всегда перекрываются в достаточной степени, чтобы удовлетворить потребности нишевых микробных сообществ в транспорте электронов. [5] Кабельные бактерии были охарактеризованы как сульфид-окисляющие бактерии, которые помогают соединить эти области с недостатком и избытком электронов, чтобы завершить транспорт электронов для иначе недоступных окислительно-восстановительных реакций. [5]
Биопленки , обнаруженные в приливных отмелях , ледниках , гидротермальных источниках и на дне водной среды, также демонстрируют окислительно-восстановительные градиенты. [5] Сообщество микробов — часто металло- или сульфатредуцирующих бактерий — создает окислительно-восстановительные градиенты микрометрового масштаба в зависимости от пространственной физико-химической изменчивости. [5]
См. зону перехода сульфат-метан для освещения микробных процессов в СМТЗ.
См. также
[ редактировать ]
- Анаэробное дыхание
- Хемоклин
- Свободная энергия Гиббса
- Мертвая зона (экология)
- Гипоксия (экологическая)
- Морские отложения
- Редокс
- Редокс-потенциал
- Реминерализация
- Интерфейс осадок-вода
- Сульфатно-метановая переходная зона
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В х Чжан, Цзэнъюй; Фурман, Алекс (2021). «Окислительно-восстановительная динамика почвы в условиях динамических гидрологических режимов - обзор» . Наука об общей окружающей среде . 763 : 143026. Бибкод : 2021ScTEn.76343026Z . doi : 10.1016/j.scitotenv.2020.143026 . ISSN 0048-9697 . ПМИД 33143917 . S2CID 226249448 .
- ^ Горный, Дж.; Биллон, Г.; Лесвен, Л.; Дюмулен, Д.; Маде, Б.; Нуариэль, К. (2015). «Поведение мышьяка в речных отложениях в условиях окислительно-восстановительного градиента: обзор». Наука об общей окружающей среде . 505 : 423–434. дои : 10.1016/j.scitotenv.2014.10.011 . ПМИД 25461044 . S2CID 24877798 .
- ^ Либес, Сьюзен (2009). Введение в морскую биогеохимию . Амстердам Бостон: Elsevier/Academic Press. ISBN 978-0-08-091664-4 . OCLC 643573176 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Борх, Томас; Кречмар, Рубен; Капплер, Андреас; Каппеллен, Филипп Ван; Гиндер-Фогель, Мэтью; Фогелин, Андреас; Кэмпбелл, Кейт (2009). «Биогеохимические окислительно-восстановительные процессы и их влияние на динамику загрязнений» . Экологические науки и технологии . 44 (1). Американское химическое общество (ACS): 15–23. дои : 10.1021/es9026248 . ISSN 0013-936X . ПМИД 20000681 . S2CID 206997593 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с Лау, Максимилиан Питер; Нидердорфер, Роберт; Сепульведа-Хореги, Армандо; Хупфер, Майкл (2018). «Синтез окислительно-восстановительной биогеохимии на границах с водными средами» . Лимнологика . 68 : 59–70. дои : 10.1016/j.limno.2017.08.001 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Пайффер, С.; Капплер, А.; Хадерляйн, SB; Шмидт, К.; Бирн, Дж. М.; Кляйндиенст, С.; Фогт, К.; Ричнов, Х.Х.; Обст, М.; Ангенент, Литва; Брайс, К. (2021). «Биогеохимико-гидрологическая основа роли окислительно-восстановительных соединений в водных системах» . Природа Геонауки . 14 (5): 264–272. Бибкод : 2021NatGe..14..264P . дои : 10.1038/s41561-021-00742-z . ISSN 1752-0894 . S2CID 233876038 .
- ^ Перейти обратно: а б Закем, Эмили Дж.; Польц, Мартин Ф.; Далее следует Майкл Дж. (2020). «Модели глобальных биогеохимических циклов, основанные на окислительно-восстановительном потенциале» . Природные коммуникации . 11 (1): 5680. Бибкод : 2020NatCo..11.5680Z . дои : 10.1038/s41467-020-19454-w . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 7656242 . ПМИД 33173062 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р Хассон, Оливье (2013). «Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) и pH как движущие силы систем почва/растение/микроорганизмы: трансдисциплинарный обзор, указывающий на интегративные возможности агрономии» . Растение и почва . 362 (1–2): 389–417. дои : 10.1007/s11104-012-1429-7 . ISSN 0032-079X . S2CID 17059599 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Водяницкий Ю Н. (2016). «Биохимические процессы в почве и подземных водах, загрязненных фильтратами городских свалок (Мини-обзор)» . Анналы аграрной науки . 14 (3): 249–256. дои : 10.1016/j.aasci.2016.07.009 . ISSN 1512-1887 .
- ^ Рю, Иден Л.; Смит, Джеффри Дж.; Каттер, Грегори А.; Бруланд, Кеннет В. (1997). «Реакция окислительно-восстановительных пар микроэлементов на субоксические условия в толще воды» . Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 44 (1): 113–134. Бибкод : 1997DSRI...44..113R . дои : 10.1016/S0967-0637(96)00088-X .